【產(chǎn)業(yè)前瞻】德國《工業(yè)4.0戰(zhàn)略》

德國制造業(yè)是世界最具競爭力的制造業(yè)之一，尤其是裝備制造業(yè)在全球處于領(lǐng)先地位。這在很大程度上源于德國在創(chuàng)新性制造技術(shù)方面的研究、開發(fā)和生產(chǎn)，以及復(fù)雜工業(yè)過程管理的專業(yè)性。德國擁有強(qiáng)大的機(jī)器和設(shè)備制造業(yè)，在信息技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出很高的水平和能力，在嵌入式系統(tǒng)和自動化工程方面也頗有建樹，這些因素共同奠定了德國在制造工程行業(yè)中的領(lǐng)軍地位。因此，德國能以其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢開拓新型工業(yè)化的潛能：工業(yè)4.0。

前三次工業(yè)革命的發(fā)生，分別源于機(jī)械化、電力和信息技術(shù)。如今，將物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)引入制造業(yè)正迎來第四次工業(yè)革命。不久的將來，企業(yè)能以CPS（Cyber-PhysicalSystems ，信息物理系統(tǒng))的形式建立全球網(wǎng)絡(luò)，整合其機(jī)器、倉儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施。在制造業(yè)領(lǐng)域，這些CPS包括能自主交換信息的智能機(jī)器、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施，它們能獨(dú)立運(yùn)行和相互控制。這有利于從根本上改善工業(yè)過程，包括制造、工程、材料使用、供應(yīng)鏈和生命周期管理。智能工廠現(xiàn)在似乎已開始采用一種全新的方式來生產(chǎn)產(chǎn)品。智能產(chǎn)品有唯一的特征被識別，在任何時(shí)候都能被定位，我們知道它的發(fā)展歷程，了解它當(dāng)前狀況，以及實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)狀態(tài)的方式。從通過出口物流下訂單的那一刻起，縱向與工廠和公司業(yè)務(wù)流程聯(lián)網(wǎng)，橫向連接則可實(shí)時(shí)管理衍生價(jià)值體系，這二者共同構(gòu)建了嵌入式制造系統(tǒng)。此外，這些指令都要求啟用終端間工程（模式）流經(jīng)整個(gè)價(jià)值鏈。

工業(yè)4.0擁有巨大的潛力。智能工廠讓客戶個(gè)性化的定制需求得以滿足，這也意味著，即使產(chǎn)品只生產(chǎn)一次，也能通過頗具收益的方式制造出來。在工業(yè)4.0中，以供應(yīng)商為例，動態(tài)業(yè)務(wù)和工程流程能幫他們根據(jù)生產(chǎn)需要最終做出相應(yīng)改變，并靈活應(yīng)對生產(chǎn)中斷和故障?，F(xiàn)在，制造過程中已經(jīng)能夠提供端到端的透明化，以促進(jìn)決策優(yōu)化。工業(yè)4.0將會開發(fā)出創(chuàng)造價(jià)值的新方法和新的商業(yè)模式。特別是，它將給初創(chuàng)公司和小企業(yè)的發(fā)展帶來機(jī)會，下游服務(wù)也能從中受益。

此外，工業(yè)4.0將正視和解決某些當(dāng)今世界面臨的挑戰(zhàn)，如資源能源利用效率、城鎮(zhèn)化、人口結(jié)構(gòu)變化等。工業(yè)4.0能持續(xù)帶來覆蓋整個(gè)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的資源生產(chǎn)率和效率的增益。它能將人口結(jié)構(gòu)變化和社會因素考慮在內(nèi)，以適合的方式組織生產(chǎn)。智能輔助系統(tǒng)讓工人從單調(diào)、程序化的工作中解放出來，能把精力集中在創(chuàng)新和增值業(yè)務(wù)上。鑒于熟練工短缺的問題，工業(yè)4.0允許老工人延長職業(yè)生涯，從而長久地保持生產(chǎn)力。靈活的工作組織形式使工人們能夠更好地整合自己的工作，私人生活和持續(xù)的職業(yè)生涯發(fā)展變得更有效率，在工作和生活之間找到了更好的平衡點(diǎn)。

制造工程領(lǐng)域的全球競爭變得愈加激烈，德國不是唯一一個(gè)認(rèn)識到在制造業(yè)部署物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)是大勢所趨的國家。而且，并非只有亞洲的競爭對手對德國工業(yè)造成威脅，美國也在采取措施，通過推進(jìn)“高端制造業(yè)”計(jì)劃反對“去工業(yè)化”。

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)向工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)變，德國需要采取雙重策略。德國裝備制造業(yè)應(yīng)尋求穩(wěn)固在全球市場的領(lǐng)導(dǎo)地位，一如既往地把信息通信技術(shù)與其傳統(tǒng)的高科技戰(zhàn)略進(jìn)行整合，使自己成為智能制造技術(shù)的主要供應(yīng)商。與此同時(shí)，還有必要為CPS技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)建新的領(lǐng)先市場，并為之服務(wù)。要實(shí)現(xiàn)上述CPS雙重策略的目標(biāo)，以下工業(yè)4.0的基本特征應(yīng)該得到落實(shí)：

（1）通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橫向集成

（2）工程端到端數(shù)字集成橫跨整個(gè)價(jià)值鏈

（3）垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化的制造系統(tǒng)

邁向工業(yè)4.0之路，德國要在研發(fā)上投入巨大的精力。為實(shí)施雙重策略，所進(jìn)行的研究得實(shí)現(xiàn)“制造系統(tǒng)的橫向、縱向集成”和“工程端到端的集成”。此外，出于對工業(yè)4.0系統(tǒng)的要求和著眼于CPS技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，工作場所中新的社會基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該得到更多關(guān)注。

若工業(yè)4.0得以成功實(shí)現(xiàn)，研發(fā)活動將需要與之適應(yīng)的工業(yè)政策的支持。工業(yè)4.0工作組認(rèn)為，需要在以下8個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域采取行動：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu):工業(yè)4.0會涉及聯(lián)網(wǎng)，并通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)集成幾家不同的公司。如果開發(fā)出一攬子共同標(biāo)準(zhǔn)，這種合作伙伴關(guān)系將成為可能。由此，需要一個(gè)參考架構(gòu)來描述這些標(biāo)準(zhǔn)，并促進(jìn)它們的實(shí)現(xiàn)。

（2）復(fù)雜系統(tǒng)的管理:生產(chǎn)和制造系統(tǒng)正日益變得復(fù)雜，適當(dāng)?shù)挠?jì)劃和解釋性模型能為管理這些復(fù)雜的系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。因此，工程師們應(yīng)該備有開發(fā)出這些模型的方法和工具。

（3）一套綜合的工業(yè)寬帶基礎(chǔ)設(shè)施:毋庸置疑，高質(zhì)量的綜合通訊網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)4.0的關(guān)鍵要求。無論是在德國國內(nèi)，還是在德國與其他伙伴國之間，寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施也因此需要進(jìn)一步大規(guī)模拓展。

（4）安全和安保:安全和安保對智能制造系統(tǒng)的成功至關(guān)重要。確保生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品本身對人或者環(huán)境不造成任何危險(xiǎn)，這點(diǎn)非常重要。同時(shí)，生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品，尤其是它們所包含的數(shù)據(jù)和信息，都需要加以保護(hù)，防止被濫用和未經(jīng)授權(quán)的訪問

（5）工作的組織和設(shè)計(jì): 在智能工廠，雇員的角色將發(fā)生引人注目的改變。越來越多的實(shí)時(shí)導(dǎo)向的控制，將改變工作內(nèi)容、工作流程和工作環(huán)境。工作組織以一種社會-技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)，將為員工提供承擔(dān)重大責(zé)任和促進(jìn)個(gè)人發(fā)展的機(jī)會。這一旦成為現(xiàn)實(shí)，部署合作的工作設(shè)計(jì)、終身學(xué)習(xí)的措施，以及啟動參考模型課題將變得尤為重要。

（6）培訓(xùn)和持續(xù)的職業(yè)發(fā)展: 工業(yè)4.0將從根本上改變?nèi)藗兊墓ぷ骱蛯I(yè)能力。實(shí)施適當(dāng)?shù)?a target="_blank" >培訓(xùn)策略并以培養(yǎng)學(xué)習(xí)的方式組織工作因此變得尤為必要，可借此實(shí)現(xiàn)終身學(xué)習(xí)和基于工作地點(diǎn)的個(gè)人發(fā)展。為達(dá)成這一目標(biāo)，示范項(xiàng)目和“最佳實(shí)踐網(wǎng)絡(luò)”應(yīng)該推廣，數(shù)字化學(xué)習(xí)技術(shù)也應(yīng)投入研究。

（7）監(jiān)管框架: 在工業(yè)4.0下建立新的制造流程和橫向業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)，必須遵守法律；而現(xiàn)有法律也同樣應(yīng)在需要時(shí)，考慮到創(chuàng)新的影響進(jìn)行調(diào)整。面臨的挑戰(zhàn)包括保護(hù)企業(yè)數(shù)據(jù)、責(zé)任問題、處理個(gè)人數(shù)據(jù)和貿(mào)易限制。這將不僅對立法，也對其他有商業(yè)性質(zhì)的活動提出了要求——制度將作為一個(gè)涵蓋面廣泛的適用工具而存在，其內(nèi)容包括指導(dǎo)方針、合同范本和公司集體協(xié)議，或者自我監(jiān)管的舉措如審計(jì)。

（8）資源效率: 撇開成本高不說，僅制造業(yè)在原材料和能源上的大量消耗就給環(huán)境和安全供應(yīng)帶來諸多風(fēng)險(xiǎn)。工業(yè)4.0將帶來資源生產(chǎn)力和效率的提高。對企業(yè)來說，權(quán)衡“需要投資在智能工廠中的額外資源”與“帶來的潛在節(jié)約”之間的利弊非常必要。

通向工業(yè)4.0，將是一個(gè)漸進(jìn)的過程。為了適應(yīng)制造工程的特殊需求，現(xiàn)有的基本技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)必須加以改變，還必須探索針對新地點(diǎn)和新市場的創(chuàng)新解決方案。如果成功，工業(yè)4.0將提升德國的全球競爭力，并保持其國內(nèi)制造業(yè)繼續(xù)發(fā)展。

 工業(yè)4.0：德國欲掀起第四次工業(yè)革命 

如果有人說“工廠會解決當(dāng)前全球面臨的問題”，您可能會覺得這是在說大話。但現(xiàn)在真有一個(gè)國家正在努力實(shí)現(xiàn)這一宏偉概念，這個(gè)國家就是德國?，F(xiàn)在，德國政府提出了高技術(shù)戰(zhàn)略“工業(yè)4.0”（Industry 4.0），并開始推進(jìn)這個(gè)產(chǎn)官學(xué)一體項(xiàng)目。

如果用一個(gè)詞來概括這個(gè)概念，那就是“互聯(lián)工廠”。就是通過互聯(lián)網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)將工廠與工廠內(nèi)外的事物和服務(wù)連接起來，創(chuàng)造前所未有的價(jià)值、構(gòu)建新的商業(yè)模式，甚至還能解決很多社會問題。

工業(yè)4.0的大體概念是在2011年于德國舉行的工業(yè)設(shè)備展會“Hannover Messe 2011”上提出的。在2年后的“Hannover Messe 2013”上，由產(chǎn)官學(xué)專家組成的工作小組（WG）發(fā)表了最終報(bào)告（有德語版和英文版）＊。下面，筆者就根據(jù)該最終報(bào)告來解讀一下工業(yè)4.0。

＊工業(yè)4.0工作組內(nèi)不僅有能夠代表德國的企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)，還從政府機(jī)構(gòu)聘請了觀察員。主要企業(yè)有ABB、巴斯夫、寶馬、博世、戴姆勒、英飛凌、思愛普（SAP）、西門子、蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）及通快（TRUMPF）等。

關(guān)鍵是靈活運(yùn)用ICT

“工業(yè)4.0”這一名稱的含義是人類歷史上的第四次工業(yè)革命（圖1）。第一次工業(yè)革命是18世紀(jì)60年代至19世紀(jì)中期掀起的通過水力和蒸汽機(jī)實(shí)現(xiàn)的工廠機(jī)械化；第二次工業(yè)革命是19世紀(jì)后半期至20世紀(jì)初的電力廣泛應(yīng)用；第三次工業(yè)革命是20世紀(jì)后半期出現(xiàn)的、基于可編程邏輯控制器（PLC）的生產(chǎn)工藝自動化。工業(yè)4.0的定位是可與這些工業(yè)革命比肩的技術(shù)革新。

其中的關(guān)鍵技術(shù)是信息通信技術(shù)（ICT），具體包括聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間自動協(xié)調(diào)工作的M2M（Machine to Machine）、通過網(wǎng)絡(luò)獲得的大數(shù)據(jù)的運(yùn)用、與生產(chǎn)系統(tǒng)以外的開發(fā)/銷售/ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）/PLM（產(chǎn)品生命周期管理）/SCM（供應(yīng)鏈管理）等業(yè)務(wù)系統(tǒng)聯(lián)動，等等。

第三次工業(yè)革命的自動化只是在生產(chǎn)工藝中運(yùn)用ICT，而工業(yè)4.0將大幅擴(kuò)大應(yīng)用對象。最終報(bào)告將這種升級后的工廠稱做“智能工廠”（圖2）?；贗CT的“智能化”本來就是在智能手機(jī)、智能儀表、智慧城市、智能電網(wǎng)等所有事物和服務(wù)中出現(xiàn)的動向。要實(shí)現(xiàn)工廠智能化的工業(yè)4.0也可以說是一個(gè)必然趨勢。除工業(yè)4.0以外，通用電氣也提出了與之基本相同的概念——“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”（Industrial Internet）。日本的各企業(yè)也在推進(jìn)M2M和大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

可解決能源消耗和工作生活平衡問題

通過推進(jìn)工廠智能化，不僅能夠創(chuàng)造前所未有的產(chǎn)品、大幅提高生產(chǎn)效率，還能夠解決當(dāng)前社會面臨的許多問題。比如能源消耗問題?，F(xiàn)在，工廠在不開工時(shí)也要保持立刻就能重新開工的狀態(tài)，這會消耗很多能源。而如果能夠根據(jù)工廠的開工情況實(shí)時(shí)調(diào)整能源供應(yīng)，就能大幅削減總體的能源消耗量（圖3）。

另外，工作組的最終報(bào)告還指出，工廠智能化能解決工作生活平衡問題?，F(xiàn)在，在工廠工人的工作模式是到工廠上班，現(xiàn)場操作機(jī)械設(shè)備等，到了下班時(shí)間下班回家。但是，如果能通過ICT實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程操作，就不需要在工廠和家之間奔波，可以在安全的場所舒服地工作。工廠智能化還有利于提高工人的生活質(zhì)量。

四大課題

雖然工業(yè)4.0展現(xiàn)了美好的未來，但實(shí)現(xiàn)這一概念卻面臨著四大課題，分別是標(biāo)準(zhǔn)化、復(fù)雜系統(tǒng)的管理、通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、安全和保密。

標(biāo)準(zhǔn)化方面，隨著工廠與工廠內(nèi)外的很多事物和服務(wù)連接起來，通信手段及數(shù)據(jù)格式等很多事物必須制定標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的管理，隨著生產(chǎn)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)連接起來，整個(gè)系統(tǒng)變得復(fù)雜，管理變得越來越困難。通信基礎(chǔ)設(shè)施問題指的是可用于工業(yè)用途的、可靠性（SLA：服務(wù)水平協(xié)議）高的通信基礎(chǔ)設(shè)施。安全和保密方面，隨著工廠與外部網(wǎng)絡(luò)連接起來，遭到惡意軟件入侵等網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險(xiǎn)也越來越大，因此急需采取安全和保密措施。